一种半潜式平台结构简化疲劳设计方法

技术领域

本发明涉及一种海洋工程结构疲劳设计方法，特别是关于一种适应中国南海环 境条件的半潜式平台结构简化疲劳设计方法。

背景技术

目前，半潜式平台普遍采用高强度和超高强度钢建造，其具有结构形式简单、 作业水深大、适应恶劣作业环境和可变载荷大等特点，在海洋工程中得到广泛应用。 半潜式平台在海上作业时，由于受到波浪作用，不断变化的波浪载荷使得平台内部 产生不断变化的循环应力，由这些循环应力造成的疲劳损伤是平台的一种主要破坏 形式。

半潜式平台结构疲劳分析是十分复杂的工程实践问题，简化疲劳分析方法是假 定疲劳应力的长期分布服从Weibull分布(威布尔分布)，其形状参数按近似公式、 谱分析结果拟合得到，结构应力响应采用有限元分析技术得到，该方法具有能反映 平台结构的细节，计算工作量相对较小的优点。由于缺乏半潜式平台在中国南海环 境条件下结构应力的长期分布Weibull分布形状参数资料，以及半潜式平台寿命期 一遇最大热点应力范围计算困难，导致简化疲劳分析方法在半潜式平台结构疲劳设 计中应用很少。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种适应中国南海环境条件的半潜式平台 结构简化疲劳设计方法，可简单准确的计算结构疲劳寿命，大大减轻结构疲劳分析 工作量。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种半潜式平台结构简化疲劳设 计方法，其包括以下步骤：1)进行半潜式平台波浪载荷长期预报；2)确定半潜式 平台结构应力长期Weibull分布形状参数；3)确定半潜式平台结构寿命期一遇最 大许用应力范围曲线；4)计算半潜式平台结构寿命期一遇热点应力范围；5)评估 半潜式平台结构疲劳寿命。

在执行步骤1)时，其包括以下内容：根据所述半潜式平台作业海域长期海况 资料计算所述半潜式平台波浪载荷，对所述半潜式平台寿命期一遇波浪载荷进行长 期预报，得到所述半潜式平台寿命期一遇最大波浪载荷，其包括横向波浪撕裂力、 横向波浪扭矩、纵向波浪剪切力、垂向波浪弯矩、纵向甲板质量惯性力和横向甲板 质量惯性力。

在执行步骤2)时，其包括以下步骤：①建立所述半潜式平台的整体结构有限 元模型，进行不同浪向、不同波浪频率条件下所述半潜式平台的整体结构有限元分 析；②计算得到各浪向所述半潜式平台不同结构部位应力响应传递函数，结合所述 半潜式平台作业海域长期海况资料进行结构应力谱分析，得到所述半潜式平台不同 部位结构应力长期Weibull分布形状参数和应力响应的平均过零周期。

在执行步骤3)时，其包括以下内容：基于ABS SN曲线、结构疲劳寿命达到或 超过30年的要求和结构长期应力响应的平均过零周期导出所述半潜式平台结构寿 命期一遇最大许用应力范围曲线，包括浸没于海水中腐蚀保护条件下结构寿命期一 遇最大许用应力范围曲线和空气中结构寿命期一遇最大许用应力范围曲线。

在执行步骤4)时，其包括以下内容：根据所述半潜式平台具体结构形式，选 择相应的结构寿命期一遇特征波浪载荷，进行所述半潜式平台的整体结构有限元分 析，得到所述半潜式平台结构连接节点处名义应力范围，名义应力范围乘以应力集 中系数可得到疲劳校核节点结构的寿命期一遇热点应力范围。

所述半潜式平台作业海域为中国南海。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提出一套适用于 中国南海环境条件的半潜式平台结构疲劳简化设计方法，填补了针对南海海洋环境 条件的半潜式平台结构简化疲劳设计方法的空白，该方法与确定性疲劳分析方法和 谱疲劳分析方法相比大大减少了结构疲劳分析工作量。2、本发明提出一套针对南 海环境条件的平台结构寿命期一遇最大许用应力范围曲线，可应用于南海环境条件 下平台结构的疲劳设计，可大大减少针对中国南海海洋环境条件半潜式平台结构简 化疲劳设计方法的工作量。3、本发明针对中国南海海洋环境条件，提出半潜式平 台结构简化疲劳分析结构应力范围长期Weibull分布参数的准确值，使得该简化疲 劳分析方法分析结果更加准确、可靠。综上所述，本发明提出的半潜式平台结构简 化疲劳设计方法较现有平台结构疲劳设计方法具有工作量小，计算结果准确的优 点，可应用于中国南海海域半潜式平台的结构疲劳设计。

附图说明

图1是本发明的半潜式平台结构简化疲劳分析流程图

图2是本发明腐蚀保护条件下结构寿命期一遇最大许用应力范围曲线

图3是本发明空气中结构寿命期一遇最大许用应力范围曲线

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明包括以下步骤：

1、进行半潜式平台(以下简称平台)波浪载荷长期预报：

根据平台作业海域长期海况资料计算平台波浪载荷，对平台寿命期一遇波浪载 荷进行长期预报，得到平台寿命期一遇最大波浪载荷，包括横向波浪撕裂力、横向 波浪扭矩、纵向波浪剪切力、垂向波浪弯矩、纵向甲板质量惯性力和横向甲板质量 惯性力。

2、确定平台结构应力长期Weibull分布形状参数：

①建立平台的整体结构有限元模型，进行不同浪向、不同波浪频率条件下平台 的整体结构有限元分析。

②计算得到各浪向平台不同结构部位应力响应传递函数，结合平台作业海域长 期海况资料进行结构应力谱分析，得到平台不同部位结构应力长期Weibull分布形 状参数和应力响应的平均过零周期。

若不进行该项工作，则平台结构应力Weibull分布形状参数推荐取1。

3、确定平台结构寿命期一遇最大许用应力范围曲线：

基于ABS SN曲线、结构疲劳寿命达到或超过30年的要求和结构长期应力响应 的平均过零周期导出平台结构寿命期一遇最大许用应力范围曲线，包括浸没于海水 中腐蚀保护条件下结构寿命期一遇最大许用应力范围曲线(如图2所示)和空气中 结构寿命期一遇最大许用应力范围曲线(如图3所示)。图中，结构寿命期一遇最 大许用应力范围曲线B、C、D、E、F、F2、G、W代表该曲线所对应的ABS SN曲线 类别，ABS SN曲线为美国船级社推荐的结构疲劳分析基准曲线，为现有通用海洋 工程结构疲劳设计依据。

4、计算平台结构寿命期一遇热点应力范围：

根据平台具体结构形式，选择相应的结构寿命期一遇特征波浪载荷，进行平台 的整体结构有限元分析，得到平台结构连接节点处名义应力范围，名义应力范围乘 以应力集中系数可得到疲劳校核节点结构的寿命期一遇热点应力范围。其中应力集 中系数实际为应力放大系数，可由有限元细网格计算或通用规范确定。

5、评估平台结构疲劳寿命：

①针对平台不同结构形式，在ABS规范中出其结构疲劳分析相应的ABS SN 曲线类别。

②根据该ABS SN曲线类别选取相应的结构寿命期一遇最大许用应力范围曲线， 并在该曲线上根据步骤2中确定的结构应力长期Weibull分布形状参数值到结构 寿命期一遇最大许用应力范围。

③比较结构寿命期一遇最大热点应力范围和结构寿命期一遇最大许用应力范 围：若结构寿命期一遇最大热点应力范围小于结构寿命期一遇最大许用应力范围那 么结构设计满足要求，否则不满足要求。

下面以在中国南海环境条件下作业的某半潜式平台为具体实施案例，对本发明 方法进行进一步说明。本实施例中，该平台设计寿命30年，分析该平台撑杆靠近 立柱处结构的疲劳寿命是否满足要求。

1、根据中国南海环境条件，对该平台30年寿命期一遇波浪载荷进行长期预报， 得到该平台30年寿命期一遇最大波浪载荷。本实例中对该平台遭受的最大横向力、 最大横向扭矩、最大纵向剪力、最大垂向弯矩、最大纵向甲板质量惯性力以及最大 横甲板质量惯性力六种特征水动力载荷进行长期预报，得到相应疲劳设计载荷，用 于计算结构30年寿命期一遇最大热点应力范围。

2、研究该平台在中国南海环境下结构应力长期分布，考虑结构对称性选多处 结构区域进行长期应力分析。结果展示立柱、浮箱和上甲板结构各个区域结构应力 长期分布Weibull形状参数位于0.9～1之间，撑杆结构各区域结构应力长期分布 Weibull形状参数位于0.84～0.88之间。为了确保平台结构设计的安全性，对于立 柱结构、浮箱结构和上甲板结构在简化疲劳分析中Weibull形状参数应取1。对于 撑杆结构在简化疲劳分析中Weibull形状参数应取0.88。

对于深水半潜式钻井平台，若缺乏南海条件下结构应力长期分布资料，平台结 构简化疲劳分析中应力长期Weibull分布形状参数取1。

3、在南海环境条件下结构寿命期30年内应力循环的平均过零周期约为6.3秒， 应力循环次数约为1.5×108次，同时基于ABS SN曲线导出针对南海海洋环境条件， 使用寿命30年的结构疲劳最大许用应力范围曲线(如图2、图3所示)和取值(如 表1、表2所示)：

表1南海环境腐蚀保护条件下结构30年寿命最大许用应力范围取值

表2南海环境空气中结构30年寿命最大许用应力范围取值

其中，表1和表2中的单位均为MPa。

4、分析平台结构形式和所选结构所处位置，当平台遭受波浪最大横向扭矩时， 该处结构应力范围最高。考虑结构应力集中，计算得到该处结构最大热点应力范围 为160.2MPa。

5、根据结构应力长期Weibull分布形状参数及结构具体形式在图2或图3中 选取基于相应的SN曲线的结构30年寿命期一遇最大许用应力范围曲线。本实例中， 疲劳校核位置处于撑杆内部，计算疲劳校核热点应力时没由考虑肘板的影响。因此， 在图3中选取基于ABS空气中结构疲劳校核SN曲线ABS-F2(A)的结构最大许用应力 范围曲线校核平台撑杆靠近立柱处撑杆强框架与纵梁连接节点的疲劳寿命。结构应 力长期Weibull分布形状参数取0.88，此时在表2中查得相应结构最大许用应力范 围为201MPa，撑杆结构最大热点应力范围为160.2MPa，满足南海环境条件下30年 疲劳寿命要求。

本发明仅以上述实施例进行说明，各部件的结构、设置位置、及其连接都是可 以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的 改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。